04 февраля 2016г.
Котлы применяются как источники пара для отопления зданий и питания технологического оборудования в промышленности, а также машин и турбин, приводящих в действие электрогенераторы.
В современной теплоэнергетике применение газотрубных котлов ограничивается тепловой мощностью около 360 кВт и рабочим давлением 1 МПа. Дело в том, что при проектировании сосуда высокого давления, каким является котел, толщина стенки определяется заданными значениями диаметра, рабочего давления и температуры. При превышении указанных предельных параметров требуемая толщина стенки оказывается неприемлемо большой. Кроме того, необходимо учитывать требования безопасности, так как взрыв крупного парового котла, сопровождающийся мгновенным выбросом больших объемов пара, может привести к катастрофе.
В зависимости от назначения котельные агрегаты (котлы) подразделяют на отопительные, отопительно- производственные и производственные.
Отопительные водогрейные котлы устанавливают в отопительных котельных, они вырабатывают горячую воду с температурой 90-200°С, которая используется для обеспечения тепловой энергией систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
Промышленные котельные агрегаты, устанавливаемые в производственных и отопительно- производственных котельных (соответственно это производственные и отопительно-производственные котлы), вырабатывают насыщенный пар или перегретый пар с температурой до 450°С и давлением до 4 МПа, который используется в технологических процессах разных отраслей промышленности, а также для обеспечения тепловой энергией систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения[1].
Соответственно газотрубные котлы разделяются на следующие типы: водогрейные и паровые. По расположению: горизонтальные, вертикальные. По конструкции жаровой трубы: с гладкими или волнистыми жаровыми трубами. По количеству жаровых труб: с одной или с двумя жаровыми трубами. По наличию экономайзера: с экономайзером, без экономайзера. По режиму эксплуатации: работающие в базисном режиме; работающие в маневренном режиме. По ходу дымовых газов: с оборотом дымовых газов (реверс) в жаровой трубе, с двойным ходом дымовых газов, с тройным ходом дымовых газов.
Рассмотрим этот вопрос подробнее. Горячие газы, образующиеся в камере сгорания, проходят через реверсивную камеру и затем через трубы малого диаметра, составляющие второй ход (Рисунок 1), и, наконец, через второй пучок труб, который образует третий ход (Рисунок 2). В некоторых конструкциях котлов реверсивных топок третий ход исключен, что может дать преимущество по габаритам котлов[2, 3] .
Рис.1. Двухходовой котел с реверсивной камерой сгорания
d – диаметр камеры сгорания, l – длина камеры сгорания (для расчета размеров пламени), L2 – толщина изоляции котла, L3 – минимальная длина (минус 2…5%) пламенной трубы горелки (от фланца крепления горелки).
Рис.2.Трехходовой котел
d – диаметр камеры сгорания, l – длина камеры сгорания, l1 – длина жаровой трубы до поворотной камеры для расчета размеров пламени, L2 – толщина изоляции котла.
Несмотря на многообразие заявленных характерных признаков классификации газотрубных котлов в развитии современной подобной техники малой и средней мощности можно выделить следующие общие направления: повышение энергетической эффективности путем всемерного снижения тепловых потерь и наиболее полного использования энергетического потенциала топлива; уменьшение габаритных размеров котельных агрегатов за счет интенсификации процесса сжигания топлива и теплообмена в топке и поверхностях нагрева; снижение токсичных (вредных) выбросов (CO, NOx, SOx);повышение надежности работы котельного агрегата[1].
Наряду с выбором теплогенератора для децентрализованных систем теплоснабжения, актуальными задачами являются расчет процессов тепломассопереноса и определение способов интенсификации его в элементах конструкции котла при одновременном действии излучения и конвекции. Поэтому дальнейший материал будет посвящен рассмотрению вопроса расчета процесса теплопереноса в топках газотрубных котлов малой и средней мощности.
Модель перемешанного потока
Представленная здесь модель хорошо описывает характеристики теплопередачи многих типов топочных устройств, может применяться ко всем видам топлива[2, 4].
Рабочая камера топки представляется в виде трех зон: зоны, занятой газом, которая содержит факел пламени и продукты сгорания, и две
зоны, представляющие
собой поверхности теплоприемников
и отражателей. Предполагается, что для газа может быть задана средняя температура излучения, поверхность поглотителей теплоты является серой и ее температура равна T1, характеристика поверхности отражателей адиабатическая. Потери излучения через отверстия в стенках камеры пренебрежимо малы[2, 4].
С учетом принятых допущений количество теплоты, передаваемое от газообразных продуктов сгорания к теплоприемнику излучением и конвекцией:
где σ – постоянная Стефана – Больцмана;
α1 – коэффициент теплоотдачи топочных газов;
А1,с – площадь поверхности теплоприемника, которая получает теплоту конвекцией;
ɡ g-1,r– общее сопротивление передачи теплоты излучением от газа к теплоприемнику, учитывающие многократные отражения от всех поверхностей, и излучение, отраженное от экранов.
Модель стержневого течения
Для случаев, если длина топки достаточно велика по сравнению с ее гидравлическим радиусом в дымогарных паровых котлах, туннельных печах или в металлических подогревателей топок, более подходит модель стержневого течения или модель вытянутой топки[2, 4].
Предполагается, что газ в произвольном сечении топочной камеры имеет приблизительно равномерное распределение температуры и скорости. Теплота при горении выделяется таким образом, что температура в сечении остается приблизительно одинаковой. Далее предполагается, что радиация вдоль потока пренебрежимо мала, все поверхности серые и поверхности отражателей
находятся в радиационном равновесии. Потери
теплоты излучением через отверстия в топочной камере также пренебрежимо малы.
Тепловой поток к теплоприемнику может быть выражен
через локальные температуры газа и поверхности следующим образом:
Зонная модель топки
Учет температурных градиентов и других свойств может быть осуществлен с помощью зонной модели. Эта
модель может
быть также использована для исследования влияния на распределение теплового потока таких сложных факторов, как вторичная циркуляция.
Объем топочной камеры разделяется на малые зоны. Предполагается, что температура, состав и другие физические свойства в них могут иметь постоянные значения. Аналогично поверхности внутри камеры разбиваются на зоны. Считается, что температура и коэффициент излучения падающих и отраженных потоков в них распределены равномерно. Предполагается, что поверхности серые, отражение и излучение энергии рассеяно. Конфигурация зон выбирается в соответствии с контуром топки и из соображений простоты расчета коэффициентов сопротивлений излучению между зонами.
Для серого газа тепловой поток излучением между зонами i и j:
где ɡ i-j– общее сопротивление излучению для пары зон i–j.
Считается, что поверхность зон разбита
на
N поверхностных зон и M объемных зон и что индексы i=1,2 ...,
N обозначают поверхностные зоны, а индексы j= N+1, ...,N+M относятся к объемным зонам.
Уравнение теплового баланса для газовой зоны i записывается в виде:
где
– коэффициент теплоотдачи
для
конвекции
к
соседней зоне с температурой
– суммарный поток в зоне i, проходящий через ее границы.
Нормативный метод расчета
Эта методика расчета топки базируется на приложении теории подобия к топочному процессу. Основными параметрами, определяющими безразмерную
температуру газов
на выходе из топки
, являются критерий радиационного теплообмена Больцмана (Bo) и критерий поглощательной способности Бугера (Bu). Вид функциональной зависимости, связывающей между собой эти параметры, установлен на основании опытных данных по теплообмену в топках котлов[4].
Учет влияния на теплообмен неизотермичности температурного поля топки и эффекта рассеяния излучения обеспечивается использования эффективного значения критерия Bũ.
Безразмерная температура газов на выходе из топочной камеры:
где Ta– адиабатическая температура горения, К; М – параметр, учитывающий влияние на интенсивность теплообмена относительного уровня расположения горелок, степени забалластированности топочных газов и других факторов. Формула справедлива для 
Нестационарное
течение газов, сопровождающееся процессами горения
и излучения, имеет место в
топках котлов [4]. Поэтому для расчета сложного теплообмена в подобных устройствах применяются методы численного решения уравнений газовой динамики, записанных в частных производных, и уравнения переноса энергии излучением при соответствующих начальных и граничных условиях.
Основное преимущество этих методов заключается в наиболее полном и рациональном учёте всех взаимосвязанных физических и химических процессов в топке котлов. Только при идеальном перемешивании аэродинамическими процессами можно пренебречь, полагая, что параметры одинаковы в любом месте реакционного объема [4].
Поэтому для поверочных тепловых расчетов топок и котлов в целом предпочтительно использовать первые четыре методики. При разработке и конструировании новых типов теплогенераторов возможно использование результатов численного решения уравнений газовой динамики с учетом процессов горения.
Список литературы
1.
Михайлов А.Г. Методы расчета теплообмена в топках котлов // Омский научный вестник. 2008. № 3 (70).С. 81 – 84.
2.
Михайлов А.Г., Романенко Д.С., Теребилов С.В. Вопросы
выбора теплогенераторов // Омский научный вестник. 2008. № 2 (68). С. 54 – 56.
3. Соколов, Б. А.
Паровые
и
водогрейные котлы
малой
и
средней мощности / Б. А.
Соколов
–М.: Издательский центр "Академия", 2008. –128с.
4.
Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и [др.] – М.:Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.
